陆地棉GhCDPK1基因响应干旱胁迫的功能初探

钙依赖性蛋白激酶(CDPKs)是一类重要的钙信号感受蛋白和响应蛋白,在植物干旱、低温、盐碱等非生物胁迫应答中起着重要的调控作用。为探讨陆地棉GhCDPK1基因在干旱胁迫下所起的作用,该研究利用实时荧光定量PCR技术分析了PEG模拟干旱胁迫下该基因的表达量,发现GhCDPK1基因受干旱胁迫诱导。通过构建植物表达载体pCAMBIA2300-GhCDPK1,采用农杆菌介导的叶盘法转化模式植物烟草,发现干旱胁迫下转基因植株保水能力明显高于野生型植株,叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白含量及POD、SOD活性也高于野生型植株,而丙二醛含量低于野生型植株。研究结果表明,GhCDPK1基因作为正向调控因子响应干旱胁迫诱导,过表达GhCDPK1基因可以使植株积累更多的渗透调节物质、增强抗氧化系统酶的活性和维持细胞膜的稳定性来提高植物抵御外界干旱胁迫的能力。     

H2S对干旱胁迫下高山离子芥的作用研究

以高山冰缘植物高山离子芥（Chorispora bungeana）试管苗为实验材料,研究了0.3 mol·L^-1甘露醇模拟干旱胁迫响应过程中硫化氢（H₂S）调节高山离子芥的膜系统损伤程度、渗透调节物质和抗氧化酶系的作用,以及磷脂酶D（PLD）、活性氧（ROS）与H₂S信号分子在高山离子芥中响应干旱胁迫中的作用和可能存在的信号关系。结果显示：干旱胁迫下,外施H₂S供体NaHS显著降低高山离子芥电解质渗漏率及MDA含量、抑制ROS产生,提高渗透调节物质和抗氧化水平,从而增强高山离子芥的抗旱能力;干旱可诱导PLD活性、H₂S含量、ROS发生显著变化;当分别外施PLD下游产物PA与ROS供体H₂O₂均可促进干旱胁迫下H₂S的释放,当同时外施PA和ROS抑制剂DPI时对干旱胁迫下H₂S含量没有显著影响,当同时外施PLD抑制剂正丁醇与ROS抑制剂DPI则显著抑制干旱胁迫下H₂S含量的产生,表明干旱胁迫下,高山离子芥中ROS位于PLD的下游、H₂S的上游发挥作用。     

干旱胁迫对高山离子芥试管苗抗氧化系统及其活性氧代谢的影响

该试验以高山离子芥试管苗(Chorispora bungeana)为试材,采用固液培养法,设置对照(不添加PEG-6000,CK),轻度干旱胁迫(5%PEG-6000)、中度干旱胁迫(20%PEG-6000)、重度干旱胁迫(40%PEG-6000)4个干旱处理水平,分析干旱胁迫对高山离子芥幼苗抗氧化系统、活性氧代谢等部分生理特征的影响,以揭示高山离子芥在干旱胁迫下的生理响应特征,为进一步探讨其对干旱环境的适应机制奠定基础。结果显示:(1)随着干旱胁迫程度的增加以及在各时间胁迫处理下,抗氧化酶SOD活性及可溶性糖含量显著升高,POD活性、丙二醛含量、CAT活性和APX活性均经历了先升后降的过程。(2)超氧阴离子(O-·2)的产生速率和过氧化氢(H2O2)的含量均显著升高;高山离子芥试管苗叶片相对电导率呈现出升-降-升的变化趋势。(3)相关分析结果显示,MDA与相对电导率、可溶性糖、SOD、APX、O-·2及H2O2呈极显著正相关关系,可溶性糖与SOD、POD、O-·2及H2O2呈极显著正相关关系;相对电导率以及保护酶系均与O-·2、H2O2呈极显著正相关关系。研究表明,高山离子芥具有较强的耐旱性,高山离子芥试管苗在响应干旱胁迫过程中,抗氧化酶系、活性氧代谢、脂质过氧化及渗透调节物等共同参与了高山离子芥试管苗对干旱胁迫的综合抗逆性形成,从而积极启动应对外界干旱环境的耐旱响应机制。     

异源过表达胡杨PeDWF4基因提高烟草对非生物胁迫的耐性

本研究以烟草为材料异源过表达了胡杨PeDWF4基因,选取T1代的转基因阳性植株和野生型烟草幼苗水培培养50 d后对其分别施加100 mmol/L Na Cl、100 mmol/L甘露醇和100μmol/L Cu SO4进行处理,通过测定其植株生物量、叶绿素含量、抗氧化酶系统酶SOD和POD活性,渗透调节物质(脯氨酸,可溶性糖和可溶性蛋白)含量等,研究在不同非生物胁迫下PeDWF4转基因烟草对胁迫的生理生化响应及过量表达PeDWF4基因对其抗逆方面的影响和作用。结果表明,(1)异源过表达PeDWF4基因可显著提高转基因烟草的植株鲜重和生物量;(2)在3种胁迫下,转基因烟草通过减少叶片内叶绿素的降解,增加抗氧化系统酶SOD和POD活性以及提高渗透调节物脯氨酸等的含量等方式来减少非生物胁迫对自身的伤害。以上结果表明,异源表达PeDWF4基因可能是通过提高了转基因烟草內源的BR含量,从而提高了烟草对于以上3种非生物胁迫的耐性。     

转PvP5CS2基因烟草对干旱胁迫的反应

为了验证普通菜豆脯氨酸合成酶基因PvP5CS2在改善作物抗旱性方面的作用,构建了普通菜豆PvP5CS2基因的烟草表达载体pCAPE2-PvP5CS2,利用农杆菌将PvP5CS2导入烟草,获得15株阳性转PvP5CS2基因植株。干旱胁迫条件下,转基因烟草植株和野生型植株叶片中脯氨酸含量、叶片相对含水量和萎蔫叶片数的差异均达到极显著水平。转基因烟草的脯氨酸含量、叶片相对含水量分别是野生型的2．30倍和1．26倍,而萎蔫叶片数只相当于野生型的90％。表明超表达PvP5CS2基因的烟草植株在干旱胁迫条件下能积累较多的脯氨酸,抗旱性得到初步改善。     

超表达AVP1基因提高甜菜的耐低磷和耐盐抗旱性

为探讨H⁺-焦磷酸酶编码基因对甜菜磷吸收和抗性的影响，实现优良基因在甜菜基因工程中的利用，研究在甜菜中超表达拟南芥液泡膜H⁺-焦磷酸酶编码基因AVP1,对转基因甜菜分析其耐低磷、耐盐性和抗旱性。结果显示，AVP1基因在甜菜植株的叶片和块根中表达，且在逆境胁迫下增强表达量响应胁迫；低磷处理条件下，转基因甜菜与野生型甜菜相比具有更高的含磷量，可提高甜菜对磷的吸收利用效率；干旱、盐胁迫处理条件下，AVP1基因在转基因甜菜中显著上升，在盐胁迫或干旱处理条件下，转基因植株的生长受抑程度相对较轻。随着盐和干旱胁迫的加剧，转基因植株体内MDA含量与野生型植株相比较低而脯氨酸含量显著增加，AVP1基因可通过减轻逆境对甜菜细胞膜的损伤及提高甜菜细胞的渗透调节能力，进而增强甜菜对高盐和干旱胁迫的抗性。     

过表达胡杨XTH基因能够提高烟草抗旱性

胡杨是典型的抗旱树种。挖掘和鉴定胡杨的耐旱基因对于提高植物抗旱性具有重要意义。木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶（XTH）是植物细胞壁重构过程中的关键酶,在植物逆境胁迫响应中发挥重要作用。我们前期已从胡杨叶片中克隆了PeXTH基因。本文利用Real-time PCR检测PeXTH基因在干旱胁迫下的表达水平。在此基础上,构建植物表达载体pMDC85-PeXTH,通过农杆菌介导法将PeXTH基因转入烟草,分析过表达PeXTH基因烟草的抗旱性。研究发现,胡杨叶片中PeXTH基因的表达受干旱胁迫诱导。干旱处理后,转PeXTH基因烟草的萌发率明显高于野生型烟草;与野生型植株相比,转基因植株的叶片失水速率明显降低。干旱胁迫下,转基因烟草的气孔开度仅为野生型烟草的51.2%～53.6%。结果表明,过表达PeXTH基因能够提高烟草的抗旱性。本研究丰富了对胡杨PeXTH基因功能的认识,为植物抗旱分子育种提供了重要的基因资源。     

天山雪莲冷调节蛋白基因siCOR转化烟草植株的抗旱性分析

冷调节蛋白(cold regulated proteins, CORPs)是植物在冷驯化下产生的特异性蛋白, 与植物的抗寒性密切相关。然而, 大量研究表明, 绝大多数植物冷诱导基因同样会响应水分胁迫。采用半定量RT-PCR分析天山雪莲(Sasussured involucrata)冷调节蛋白基因siCOR的表达, 结果表明siCOR是一个受干旱胁迫诱导表达的基因。为研究siCOR基因是否与抗旱性相关, 以siCOR转基因烟草为研究材料, 利用水分胁迫处理进行抗旱性分析。结果表明与野生型(wild-type, WT)相比, 转siCOR植株叶片萎蔫较迟且程度较轻, 复水后恢复快且较完全; 其叶片相对含水量和PSII相对量子产率的降低幅度、相对电导率和丙二醛含量的升高幅度均低于野生型烟草植株。采用PEG6000模拟干旱胁迫, 发现转siCOR植株T3代种子的萌发率较高, 主根生长的受抑制程度较野生型轻。以上结果表明, siCOR基因在植物对干旱胁迫的响应中起重要作用。     

AtWRKY40参与拟南芥干旱胁迫响应过程

以拟南芥(Arabidopsis thaliana)野生型、AtWRKY40缺失突变体和过表达株系为材料,研究AtWRKY40在植物干旱胁迫响应过程中的作用及其生理和分子机制。结果显示,AtWRKY40受干旱胁迫诱导;AtWRKY40缺失导致干旱胁迫下种子萌发率降低,叶片失水加剧,而AtWRKY40过表达植株呈现出相反的表征;干旱胁迫下,At WRKY40缺失突变体植株叶片过氧化氢(H_2O_2)、超氧阴离子(O_2~-·)及丙二醛(MDA)含量显著高于野生型及其过表达株系,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性、脯氨酸(Pro)和可溶性糖含量以及相关基因AtCu/ZnSOD、AtCAT1、AtP5C1S、AtG6PD5和AtBAM4表达量显著低于野生型,同时AtWRKY40过表达株系的渗透物质含量和保护酶活性及其基因表达量则高于野生型。由此说明,AtWRKY40通过调节植株抗氧化能力及渗透调节能力参与拟南芥干旱胁迫响应过程。     

渗透调节参与循环干旱锻炼提高烟草植株抗旱性的形成

对漂浮育苗的烟草幼苗进行控水一半萎焉．复水一恢复的循环干旱锻炼。结果表明,这种干旱锻炼能显著提高烟草幼苗根、茎、叶中的渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸的含量,降低细胞渗透势。当干旱锻炼过的烟草植株遭受后续的干旱胁迫时,与未锻炼的对照相比,其根、茎、叶能积累更多的可溶性糖和脯氨酸,从而降低了细胞渗透势,使叶片能维持较高的膨压。这些结果表明渗透调节参与了循环干旱锻炼提高的烟草植株抗旱性的形成过程。此外,干旱锻炼提高了烟草幼苗的根／冠比。循环干旱锻炼过程中烟草植株一方面使其各部位通过渗透调节来对干旱环境进行生理适应,另一方面通过调节光合产物在地上部和地下部的分配以影响根／冠比来对干旱环境进行形态适应,以最终提高其抗旱性。     

芦笋在PEG模拟干旱条件下的生理生化变化

用聚乙二醇(PEG-6000)胁迫处理芦笋幼苗,检测了幼苗的渗透调解物质含量、生物膜透性、抗氧化特性等指标。结果表明:脯氨酸、可溶性糖含量随着处理时间的延长显著增加,且以20%的PEG浓度处理增加最明显;SOD、POD、CAT活性在PEG处理后明显增强;相对电导率随着处理浓度的增大和时间的延长而增大;MDA含量随着处理时间的延长明显增加,且以10%和20%浓度处理增加显著。由此表明,芦笋在干旱胁迫下通过增加渗透调解物质含量,降低水势来提高其抗旱能力;通过增强抗氧化酶活性,提高抗氧化能力,来减轻干旱胁迫伤害。     

模拟干旱胁迫对枣树幼苗的抗氧化系统和渗透调节的影响

用不同浓度的PEG-6000对抗旱性不同的1年生枣树(Zizyphus jujuba)幼苗进行渗透胁迫处理后,研究了不同抗旱性品种枣树幼苗的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量的变化.结果显示,干旱胁迫下3种枣苗叶片的相对含水量(RWC)均降低,丙二醛(MDA)含量和细胞质膜相对透性均增加.在30%PEG胁迫下除骏枣1号的SOD活性降低外,3个品种枣苗在干旱胁迫下SOD和POD活性都增加;狗头枣2号的过氧化氢酶(CAT)活性在胁迫下明显增加,而木枣1号和骏枣1号的CAT活性均随着胁迫程度的增加而逐渐下降;木枣1号和骏枣1号的APX活性随着胁迫程度的增加先增加后降低,而狗头枣2号明显增加.干旱胁迫下,除骏枣1号的脯氨酸(Pro)含量和木枣1号的可溶性糖含量在30%的胁迫水平下降低(P>0.05)外,3种干旱胁迫水平下3个品种枣苗的Pro和可溶性糖含量均增加.总之,干旱胁迫下,枣苗叶片相对含水量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT和APX)活性、渗透调节物质Pro和可溶性糖含量均为:狗头枣2号>木枣1号>骏枣1号,而MDA含量和膜透性均为骏枣1号>木枣1号>狗头枣2号,表明3个品种的抗旱性为:狗头枣2号>木枣1号>骏枣1号,研究结果与其品种的实际抗旱性一致.     

旱-盐复合胁迫对玉米种子萌发和生理特性的影响

分别用15% PEG、100 mmol·L^-1 NaCl及其混合溶液模拟干旱(D)、盐(S)及旱-盐复合胁迫(D+S)对玉米种子萌发及幼苗生长的影响.结果表明: 3种胁迫处理均明显抑制了种子萌发、幼芽、幼根的伸长及生物量的积累,且影响程度为D>D+S>S;幼芽及幼根中过氧化氢(H₂O₂)、超氧阴离子(O^-·₂)等活性氧含量及丙二醛(MDA)含量明显升高,质膜相对透性增大,脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等生理渗透调节物质含量显著增加,且幼芽中含量高于幼根,积累程度均为D>D+S>S.3种胁迫处理均使幼芽、幼根中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)及抗坏血酸过氧化物酶(APX) 等抗氧化酶活性增强;其中,SOD和APX活性表现为复合胁迫介于单一胁迫之间,而POD和CAT活性表现为复合胁迫大于单一胁迫;说明旱-盐复合逆境胁迫对玉米种子萌发及幼苗生理特性的影响并不是单一胁迫的简单叠加,与单一干旱胁迫相比,旱-盐复合胁迫在一定程度上能够缓解干旱胁迫对玉米种子萌发及幼苗生长的影响.     

干旱高温胁迫下转基因水稻的生理变化

用PEG-6000、38℃及PEG-6000+38℃胁迫处理携带谷胱甘肽转移酶(GST)和过氧化氢酶(CAT1)的转基因水稻和非转基因水稻(Oryza sativa L.cv中花11), 并比较分析了二者在胁迫下的生理指标和抗氧化酶活性变化.结果显示,在单一PEG及PEG和高温复合胁迫下,植株生长、光合参数和相对含水量的降低幅度及H2O2和MDA(malon dialdehyde)的积累量在非转基因水稻与转基因水稻之间都有显著差异.在这2种胁迫下,转基因水稻的可溶性糖含量及CAT和POD (Peroxidase) 活性与非转基因水稻也有显著差异.这些结果表明,谷胱甘肽转移酶(GST)和过氧化氢酶(CAT1)的表达减轻了转基因水稻在单一干旱及干旱+高温复合胁迫下的伤害.     

Effect of abiotic stresses on the activity of antioxidative enzymes and contents of phytohormones in wild type and AtCKX2 transgenic tobacco plants

The responses of antioxidant enzymes (AOE) ascorbate peroxidase (APX), glutathione reductase (GR), superoxide dismutase (SOD), and catalase (CAT) in soluble protein extracts from leaves and roots of tobacco (Nicotiana tabacum L. cv. Samsun NN) plants to the drought stress, salinity and enhanced zinc concentration were investigated. The studied tobacco included wild-type (WT) and transgenic plants (AtCKX2) harbouring the cytokinin oxidase/dehydrogenase gene under control of 35S promoter from Arabidopsis thaliana (AtCKX2). The transgenic plants exhibited highly enhanced CKX activity and decreased contents of cytokinins and abscisic acid in both leaves and roots, altered phenotype, retarded growth, and postponed senescence onset. Under control conditions, the AtCKX2 plants exhibited noticeably higher activity of GR in leaves and APX and SOD in roots. CAT activity in leaves always decreased upon stresses in WT while increased in AtCKX2 plants. On the contrary, the SOD activity was enhanced in WT but declined in AtCKX2 leaves. In roots, the APX activity prevailingly increased in WT while mainly decreased in AtCKX2 in response to the stresses. Both WT and AtCKX2 leaves as well as roots exhibited elevated abscisic acid content and increased CKX activity under all stresses while endogenous CKs and IAA contents were not much affected by stress treatments in either WT or transgenic plants.     

24-表油菜素内酯预处理对干旱胁迫下葡萄幼苗抗氧化系统和渗透调节物质的影响

以酿酒葡萄‘雷司令’(Riesling)一年生营养袋扦插苗为材料,采用人工气候室水培试验,考察在聚乙二醇6000(PEG)模拟干旱条件下,不同浓度(0.05、0.10和0.20mg/L)24-表油菜素内酯(EBR)预处理对‘雷司令’幼苗活性氧、抗氧化物质、渗透调节物质含量和抗氧化酶活性的影响,以揭示EBR预处理对干旱胁迫下葡萄幼苗的抗旱机理。结果显示:(1)与正常生长(对照)相比,干旱胁迫显著提高葡萄幼苗叶片中超氧阴离子自由基(■)、过氧化氢(H_2O_2)和丙二醛(MDA)含量;与干旱胁迫处理(PEG)相比,不同浓度EBR预处理均可降低叶片中■、H_2O_2和MDA的含量。(2)与对照相比,PEG处理显著降低葡萄幼苗叶片的抗坏血酸(AsA)和还原型谷胱甘肽(GSH)含量;与PEG处理相比,各浓度EBR预处理均可显著提高葡萄叶片AsA与GSH的含量,且以0.10mg/LEBR处理效果最好。(3)随着干旱胁迫时间的延长,葡萄幼苗叶片中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)与抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性均呈先上升后下降的变化趋势,而在正常生长条件下酶活性基本保持不变;EBR预处理的葡萄叶片SOD、CAT、POD和APX活性均始终高于同期PEG处理。(4)PEG处理条件下,渗透调节物质脯氨酸和可溶性蛋白的含量整体高于对照;与PEG处理相比,不同浓度EBR预处理在干旱胁迫中后期均能显著提高葡萄叶片中脯氨酸和可溶性蛋白含量。研究表明,在干旱胁迫下,外源EBR预处理能够提高葡萄叶片抗氧化系统酶活性和渗透调节物质含量,有效降低干旱胁迫诱导的活性氧过度积累及膜脂过氧化程度,提高葡萄幼苗的抗旱能力,且以0.10mg/L EBR处理效果最佳。     

Drought-induced oxidative damage and antioxidant responses in peanut (<Emphasis Type="Italic">Arachis</Emphasis><Emphasis Type="Italic">hypogaea</Emphasis> L.) seedlings

Two cultivars of peanut (Arachis hypogaea L.) which were designated as resistant (Florispan) and sensitive (Gazipasa) according to their growth retardation under drought stress conditions were compared for their oxidative damage and antioxidant responses. Sixteen days-old peanut seedlings were subjected to PEG-6000 solutions of two different osmotic potentials; −0.4 and −0.8 MPa, and various growth parameters, photosystem II activity, changes in malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H₂O₂) and proline levels, activities of ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), peroxidase (POX) and gluthatione reductase (GR) enzymes were determined. Both cultivars exhibited water deficit at −0.8 MPa osmotic potential of PEG-6000 and H₂O₂ levels significantly increased during exposure to −0.4 MPa osmotic potential. However, H₂O₂ levels were under control in both cultivars at exposure to −0.8 MPa osmotic potential. Significant proline accumulation was observed in the tissues of cv. Florispan at −0.8 MPa osmotic potential, whereas proline accumulation did not appear to be an essential part of the protection mechanism against drought in cv. Gazipasa. No significant variation in chlorophyll fluorescence values were detected in neither of the cultivars. Enzyme activity measurements revealed that Gazipasa copes well with lesser magnitudes of drought stress by increasing the activity of mainly APX, and during harsh stress conditions, only APX maintains its activity in the tissues. In cultivar Florispan, GR activity appears to take role in lesser magnitudes of drought stress, whereas CAT and APX activities appear to be very crucial antioxidative defenses during intense stress conditions. The results indicate that, the level of proline and activities of the enzymes CAT and APX are important mechanisms for the maintenance of drought tolerance in peanut plants.